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En busca del buen camino: place cells & grid cells

octubre 16, 2014 Destacado No Comments

Por Maria Luz Montesinos. Universidad de Sevilla.

May-Britt Moser y Edvard Moser

El Premio Nobel en Fisiología (o Medicina) 2014 acaba de ser concedido a John O’Keefe (University College, London, UK) y, conjuntamente, a May-Britt Moser (Centre for Neural Computation, Trondheim, Norway) y Edvard I. Moser (Kavli Institute for Systems Neuroscience, Trondheim, Norway) “por el descubrimiento de las células que constituyen el sistema de posicionamiento en el cerebro”. Dichas células son las denominadas place cells y grid cells.

Las place cells se registraron por primera vez en ratas que podían moverse libremente, lo que permitió observar que ciertas neuronas del hipocampo se activaban cuando el animal estaba en posiciones concretas del terreno (O’Keefe & Dostrovsky, 1971). Por tanto, cada ambiente particular queda “mapeado” por la actividad de una combinación determinada de place cells.

Por otra parte, las grid cells se identificaron en la corteza entorrinal, vía principal de entrada de información al hipocampo. Estas neuronas mostraron tener un patrón de actividad aún más curioso, pues generan un “mapa hexagonal” del terreno, activándose cuando el animal se localiza en los vértices del mismo (Hafting et al., 2005). ¿Por qué un hexágono?  Probablemente por “economía”, pues el patrón hexagonal permite obtener la resolución espacial más alta con el menor número posible de grid cells. Así, este sistema permite “medir las distancias”, complementando el mapa espacial generado en el hipocampo.

¿Quieres saber más? ¡Haz click aquí!:

www.nature.com/news/neuroscience-brains-of-norway-1.16079

www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2014/advanced-medicineprize2014.pdf

De la microscopía a la “nanoscopía”. Un avance fundamental para la neurociencia.

Por José Antonio Esteban. Centro de Biología Molecular Severo Ochoa-Madrid.

Dos de los recién anunciados Premios Nobel de este año tienen una clara relevancia para la comunidad neurocientífica. Por un lado, obviamente, celebramos el Premio Nobel de Medicina, que distingue este año a John O’Keefe, May-Britt Moser y Edvard Moser por sus investigaciones sobre los mecanismos neuronales que permiten codificar información espacial en el cerebro (place cells, grid cells). Por otro lado, el Premio Nobel de Química, aunque de índole más técnica, destaca a tres investigadores que nos han abierto las puertas a la visualización de procesos “submicroscópicos” (o nanoscópicos) en células vivas, utilizando técnicas de microscopía de fluorescencia. Los tres galardonados son William Moerner (Universidad de Stanford, California, EEUU), Eric Betzig (Janelia Research Campus, Virgina, EEUU) y Stefan Hell (Instituto Max Planck de Química Biofísica, Göttingen, Alemania).

Desde los trabajos de Camillo Golgi y Santiago Ramón y Cajal (también galardonados con el Premio Nobel de Medicina, en 1906), la microscopía ha sido una gran herramienta para la neurociencia, permitiéndonos explorar y escudriñar la estructura del sistema nervioso. Sin embargo, desde finales del siglo XIX, gracias al físico alemán Ernst Abbe, sabemos que la resolución de un microscopio no puede exceder el límite de difracción de la luz que utiliza. En un microscopio óptico habitual, esto supone que no podremos distinguir dos puntos individuales si están más próximos de unos 200-300 nanometros. Con el advenimiento de la biología molecular y celular en neurociencia, este límite ha resultado particularmente frustrante, ya que una gran riqueza biológica que sostiene el funcionamiento de las sinapsis se esconde precisamente debajo de esta barrera espacial. Por ejemplo, una espina dendrítica típica o un botón presináptico en el sistema nervioso central, tienen dimensiones del orden de 300-500 nm de diámetro. Multitud de estudios bioquímicos, genéticos, electrofisiológicos y de microscopía electrónica, nos sugieren la existencia de una compleja maquinaria interna en las sinapsis, que incluye múltiples compartimentos vesiculares de transporte de membrana, y sofisticadas estructuras de anclaje molecular y adhesión celular. Sin embargo, toda esta riqueza queda literalmente difuminada en una borrosa imagen cuando intentamos visualizarla, por ejemplo, con moléculas marcadas con GFP (por cierto, también objeto de otro premio Nobel de Química, en el año 2008). ¿Cómo consiguieron Moerner, Betzig y Hell superar esta barrera, y adentrarnos en la microscopía de super-resolución?

Es importante resaltar que la limitación de la microscopía óptica tradicional no se refiere a la detección objetos muy pequeños, sino a la capacidad de resolver (distinguir) objetos que se encuentran muy próximos. La genialidad de William Moerner y Eric Betzig consistió en desarrollar técnicas que permitieran detectar moléculas fluorescentes individuales una a una (o unas pocas de cada vez). La precisión en la localización de una molécula individual es muy alta en un buen microscopio óptico, y se acerca a los 20 nm. Por tanto, si podemos visualizar sólo una pequeña fracción de las moléculas (de forma que estocásticamente no aparezcan muy juntas) podremos posicionarlas con gran precisión. Si a continuación borramos (o apagamos) estas moléculas fluorescentes e iluminamos (o encendemos) otro conjunto de moléculas, y repetimos este proceso múltiples veces, conseguiremos reconstruir una imagen completa de alta resolución (tan alta como nuestra precisión en la localización). Esto fue precisamente lo que consiguieron poner en práctica Moerner and Betzig, por medio de moléculas fotoactivables o fotoconvertibles, que pueden encenderse o apagarse (o cambiar de color) cuando son iluminadas con luz de una longitud de onda determinada. Esta técnica, bautizada con múltiples acrónimos (PALM: photo-activated localization microscopy, STORM: stochastic optical reconstruction microscopy) es conceptualmente sencilla, y probablemente al alcance de múltiples laboratorios, aunque requiere un sistema de detección de gran sensibilidad y buena relación señal-ruido, así como un procesamiento de imágenes sofisticado para la localización e integración de una gran densidad de puntos. Una limitación de estas técnicas es quizá su baja resolución temporal, ya que están basadas en un proceso iterativo de visualización de sólo una pequeña fracción de los fluoróforos, hasta conseguir reconstruir una imagen completa. Sin embargo, esta técnica ostenta el record de resolución espacial hasta el momento (10-20 nm en el plano xy), y continuamente se avanza en su resolución temporal, con nuevos fluoróforos y algoritmos de procesamiento de imágenes.

De forma independiente, y unos diez años antes del desarrollo de las técnicas de PALM/STORM, Stefan Hell ya había conseguido romper el límite de resolución de la microscopía óptica utilizando una estrategia completamente distinta. En este, caso los fluoróforos se iluminan (excitan) de la forma habitual, es decir, en conjunto. Por tanto, cada haz de luz produce fluorescencia en el punto al que se dirige, más el halo de difracción que se genera a su alrededor. La innovación consiste en eliminar la fluorescencia de este halo utilizando un segundo haz de luz de una longitud de onda mayor, que apaga (“des-excita”) los fluoróforos del halo, pero preservando un pequeño foco en su interior. El tamaño de este foco puede hacerse arbitrariamente pequeño, aunque por consideraciones prácticas (alta intensidad de luz requerida y daño de la muestra biológica), se restringe habitualmente a 30-50 nm. Los fundamentos físicos de esta técnica, conocida como STED (stimulated emission-depletion), pertenecen a la óptica cuántica y son demasiado prolijos para esta pequeña nota (¡y para este pobre neurobiólogo!). Sin embargo, como reflexionaba el propio Stefan Hell, hubiera sido sorprendente que con todo lo ocurrido en física durante el siglo XX no se hubiera encontrado algún fenómeno que nos permitiera superar la barrera de difracción. A efectos prácticos para la investigación en neurociencia, la resolución temporal de STED es mejor que la de PALM/STORM, ya que se visualiza la muestra en su conjunto en tiempo real. Sin embrago, STED requiere una configuración óptica más sofisticada, y su resolución espacial en muestras biológicas aún no ha llegado al nivel de PALM/STORM (aun suponiendo un notable avance respecto a la microscopía de fluorescencia convencional).

Debido a su reciente creación y sofisticación tecnológica, todavía no son muy numerosos los grupos de investigación en neurociencia que emplean técnicas de microscopía de super-resolución (o nanoscopía). Sin embargo, estos estudios ya están revelándonos con increíble detalle la arquitectura molecular y el dinamismo de entidades fundamentales para la biología sináptica, como las vesículas de neurotransmisor en el proceso de fusión y reciclamiento en el interior de un terminal presináptico (Westphal et al., Science 2008), o el intricado citoesqueleto de actina en continua transformación dentro de las espinas dendríticas (Frost et al., Neuron 2010). Los trabajos iniciales de prueba de concepto utilizando estas técnicas en material neurobiológico ya están claramente establecidos. A partir de ahora, podremos adentrarnos en los procesos más básicos y más íntimos que son la base de la comunicación sináptica y el funcionamiento de los circuitos neuronales en el cerebro. Sin duda nos esperan tiempos apasionantes para la neurociencia celular y molecular. ¡Tomen nota los jóvenes neurocientíficos!


					

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